Recopilación detallada de datos de metamateriales (interpretación)
La singularidad de los metamateriales se presta a una amplia gama de aplicaciones, desde antenas de alta recepción hasta reflectores de radar e incluso alerta temprana de terremotos.
Los metamateriales son una materia interdisciplinar que incluye ingeniería eléctrica, física de la materia condensada, microondas, optoelectrónica, óptica clásica, ciencia de los materiales, ciencia de los semiconductores y nanotecnología.
Nombre chino: Metamateriales mbth: Metamaterial Categoría: Propiedades físicas: Sujetos con propiedades físicas extraordinarias: Ciencia de los materiales: Definición de ciencia de los materiales, seis tipos de metamateriales, evolución histórica, estado de la investigación, desarrollo extranjero, desarrollo de China, perspectivas de desarrollo, principios básicos, características principales, investigación aplicada, opiniones de expertos, la definición de "metamateriales" se refiere a algunas estructuras diseñadas artificialmente, materiales compuestos con extraordinarias propiedades físicas que los materiales naturales no tienen. El "metamaterial" es un material nuevo que ha surgido desde el siglo XX. Tiene propiedades especiales que los materiales naturales no tienen, y estas propiedades se derivan principalmente de estructuras especiales artificiales. La idea de diseño de los metamateriales es novedosa. La base de esta idea es romper las limitaciones de algunas leyes naturales aparentes mediante el diseño de diversas estructuras físicas, obteniendo así funciones materiales extraordinarias. La idea de diseño de metamateriales muestra que las personas pueden obtener artificialmente "nuevas sustancias" con propiedades físicas extraordinarias que son completamente diferentes de la naturaleza sin violar las leyes básicas de la física, lo que lleva el diseño y desarrollo de materiales funcionales a un mundo completamente nuevo. Los metamateriales típicos incluyen materiales zurdos, cristales fotónicos, materiales supermagnéticos y agua metálica. Seis tipos de metamateriales 1. Materiales autorreparables: plásticos biónicos Scott White, de la Universidad de Illinois en Estados Unidos, ha desarrollado un plástico biónico con capacidades de autorreparación. El polímero está incrustado en un "sistema vascular" hecho de líquido. Cuando está dañado, el líquido puede filtrarse y coagularse como sangre. El plástico biónico puede reparar grietas de hasta 4 milímetros de ancho, en comparación con otros materiales que sólo pueden reparar grietas pequeñas. 2. Materiales termoeléctricos Una empresa llamada Alphabet Energy ha desarrollado un generador termoeléctrico que se puede insertar directamente en el tubo de escape de un generador común para convertir el calor residual en electricidad utilizable. Este generador utiliza un material termoeléctrico natural y relativamente barato llamado tetraedrita, que se dice que logra una eficiencia energética de 5-10. Los científicos ya están trabajando en un material termoeléctrico más eficiente desde el punto de vista energético llamado sketchudita, un mineral que contiene cobalto. Los materiales termoeléctricos ya se utilizan a pequeña escala -en naves espaciales, por ejemplo-, pero la skutterudita es un material de bajo coste y energéticamente eficiente que podría utilizarse para envolver los tubos de escape de coches, congeladores o cualquier máquina. 3. Perovskita Además del silicio cristalino, la perovskita también se puede utilizar como material alternativo para las células solares. En 2009, las células solares hechas de perovskita tenían una tasa de conversión de energía solar de 3,8. En 2014, ese número había aumentado a 19,3. En comparación con las tradicionales células de silicio cristalino, la eficiencia energética mejora en más de un 20%. Los científicos creen que todavía es posible mejorar las propiedades del material. La perovskita es un material definido por una estructura cristalina específica. Pueden contener cualquier número de elementos. En general, en las células solares se utilizan plomo y estaño. Estas materias primas son mucho más baratas que el silicio cristalino y pueden pulverizarse sobre vidrio sin un montaje cuidadoso en una sala limpia. 4. Aerogeles Los aerogeles se pueden fabricar a partir de muchas sustancias, como sílice, óxidos metálicos y grafeno. El aerogel es un excelente aislante porque está compuesto principalmente de aire. Su estructura también le confiere una resistencia y tenacidad ultraaltas. Los científicos de la NASA han estado experimentando con un aerogel flexible hecho de polímeros como aislamiento para naves espaciales que viajan a través de la atmósfera.
5. Estereno: un material con una conductividad de 100. Al igual que el grafeno, el estereno también es un material compuesto por una sola capa atómica. Pero como utiliza átomos de estaño en lugar de átomos de carbono, tiene una propiedad que el grafeno no puede lograr: una conductividad eléctrica de 100. El profesor Zhang Shousheng de la Universidad de Stanford propuso por primera vez la teoría del estanano en 2013. Predecir las propiedades electrónicas de materiales como los esterenos es una de las áreas de especialización del laboratorio del profesor Zhang. Según su modelo, el estereno es un aislante topológico, es decir, sus bordes son conductores y su interior es un aislante. De esta forma, Stanene puede conducir electricidad con resistencia cero a temperatura ambiente. 6. Materiales que manipulan la luz Los metamateriales que manipulan la luz tienen nanoestructuras que dispersan la luz de maneras tan específicas que podrían hacer que los objetos sean invisibles. Dependiendo del método de fabricación y de los materiales, los metamateriales también pueden dispersar microondas, ondas de radio y, menos conocidos, rayos T. De hecho, cualquier parte del espectro electromagnético puede controlarse mediante metamateriales. Durante la evolución histórica en 1968, Veselago, un físico teórico de la ex Unión Soviética, planteó esta cuestión y predijo teóricamente el fenómeno "anormal" antes mencionado. Precisamente porque no hubo verificación experimental y estaba en las primeras etapas del desarrollo de materiales funcionales, la gente no prestó suficiente atención al descubrimiento de Fislag. La revista americana "Science" lo catalogó como uno de los 10 avances científicos importantes en los primeros 10 años de este siglo, provocando cambios importantes en los campos de la tecnología de la información de nueva generación, la industria de defensa, la nueva tecnología energética, la tecnología de micromecanizado, etc. . * * * En los países desarrollados, tanto el mundo académico como la industria conceden gran importancia a la investigación y el desarrollo de la tecnología de metamateriales, han formulado planes pertinentes y han invertido mucha mano de obra y recursos materiales. El Departamento de Defensa de Estados Unidos ha lanzado un proyecto de investigación sobre metamateriales, y las seis mayores empresas de semiconductores de Estados Unidos, incluidas Intel, AMD e IBM, también han establecido un fondo conjunto para apoyar esta investigación. El Departamento de Defensa de Estados Unidos incluso la incluyó como una de las "seis áreas disruptivas de investigación básica". La UE ha organizado a más de 50 científicos destacados en campos relacionados para que se centren en la investigación en este campo y les ha proporcionado un elevado apoyo financiero. Durante la crisis económica, Japón lanzó un plan de investigación para apoyar al menos dos proyectos de investigación sobre tecnología de metamateriales, por un valor aproximado de 3 mil millones de yenes cada uno. Estado actual de la investigación en el extranjero Han aparecido muchos inventos novedosos en los laboratorios de científicos de todo el mundo. Científicos estadounidenses han creado un tubo cerámico de rebote que puede recuperarse después de ser comprimido durante 50 grados en comparación con las tradicionales cerámicas duras y quebradizas. Este tipo de cerámica desempeñará un papel muy importante "en lugares donde los materiales comunes no pueden hacerlo", como en los equipos aislantes de los transbordadores espaciales o los motores a reacción. En 2006, investigadores de la Universidad de Duke en Carolina del Norte y el Imperial College de Londres desafiaron con éxito los conceptos convencionales utilizando metamateriales para hacer objetos invisibles a la radiación de microondas. Si bien aún quedan muchos obstáculos por superar, por primera vez en la historia tenemos los medios para hacer invisibles los objetos ordinarios (la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) del Pentágono financió esta investigación). En Alemania, los científicos utilizaron una técnica llamada litografía láser directa para crear láminas de material invisible hechas de pequeñas varillas de plástico. Cuando un trozo de material invisible se cubre sobre un objeto, bajo la observación de una cámara infrarroja, el material invisible cambia la velocidad de la luz alrededor de la cubierta, haciendo que la cubierta y el objeto cubierto desaparezcan juntos. Las organizaciones militares, incluida la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, están buscando tecnología de camuflaje para hacer que los aviones sean invisibles a los radares militares. Los científicos franceses han descubierto que al perforar con precisión agujeros en paredes y pisos de metamateriales, pueden desviar ondas sísmicas y desviar terremotos y tsunamis lejos de edificios o ciudades para reducir los desastres. Los científicos holandeses han creado caucho inteligente mecánicamente programable. Mediante el control de pequeños interruptores y un diseño especial, esta goma inteligente puede endurecerse o ablandarse como una esponja de gran tamaño, e incluso puede deformarse rápidamente en ambas etapas al apretarla. Con la ayuda de este material, pronto la gente podrá usar zapatos que se ajusten automáticamente al detectar la dureza del suelo. En comparación con el modelo de desarrollo relativamente fragmentado de muchos países, el modelo de desarrollo de China en el campo de los metamateriales es más concentrado y poderoso. China apoya la investigación sobre metamateriales en el marco del Programa 863, el Programa 973, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y proyectos importantes de nuevos materiales. En la investigación básica sobre agujeros negros electromagnéticos, tecnología furtiva de metamateriales, metamateriales dieléctricos y refracción negativa de ondas acústicas, las empresas chinas han logrado una serie de resultados originales y se encuentran en una posición de liderazgo en la competencia internacional de industrialización de metamateriales.
Liu Ruopeng, que estudió en Estados Unidos y publicó un artículo sobre un nuevo tipo de capa de invisibilidad de banda ancha metamaterial en la revista Science, es sin duda uno de los representantes. En 2010, un equipo de cinco estudiantes extranjeros encabezados por el Dr. Liu Ruopeng regresó a China y fundó Shenzhen Guangqi. Después de varios años de desarrollo, la empresa ha solicitado más de 2.800 patentes en todo el mundo, lo que representa aproximadamente el 86% del número total de solicitudes de patentes en campos relacionados. La empresa también está a la vanguardia de la creación de comunidades inteligentes basadas en metamateriales, conectividad inalámbrica, aeroespacial y otros campos. Por ejemplo, es la primera línea de pruebas de precisión del mundo para microestructuras de metamateriales, con una personalización de equipos de hasta un 70 % y una precisión de proceso de hasta 2 micras. También diseñaron un proceso estandarizado para la producción de metamateriales. Tomando como ejemplo la antena de metamaterial electromagnético diseñada, utilizando una placa de circuito que se puede doblar al tamaño de una computadora portátil e imprimir con "Jiangnan Water Town Scenery", aviones, trenes, barcos y automóviles pueden conectarse a la banda ancha satelital para acceder a Internet. en lugares remotos a los que no pueden llegar las redes móviles. La antena puede rastrear el satélite sin importar dónde se encuentre en el cielo, eliminando la necesidad de mirar el satélite en una dirección como una antena parabólica tradicional. El plan de ventas comerciales para productos similares en los Estados Unidos recién comenzó este año. Kuangqi lo instaló y lo probó en 22 provincias de China hace tan solo tres años. Esta es sólo una de las feroces competencias entre China y Estados Unidos en el campo central de los metamateriales en los últimos años. Además, con el fin de romper el monopolio de los estándares técnicos de metamateriales europeos y americanos, el mes pasado, el Comité Técnico Nacional de Tecnología de Metamateriales Electromagnéticos y Estandarización de Productos revisó y presentó la norma nacional "Terminología de metamateriales electromagnéticos". Esto significa que mi país ha tomado la iniciativa en la formulación de estándares nacionales en el campo de los metamateriales en el mundo y desempeñará un papel importante en la investigación y transformación de estándares de la tecnología de metamateriales en mi país. Las perspectivas de desarrollo las proyecta una empresa de investigación. El tamaño del mercado global de metamateriales se desarrollará a una tasa de crecimiento anual compuesta de 465.438 0 entre 2065 y 2020. Es previsible que con la continua profundización del proceso global de "Industria 4.0" y la continua expansión de los campos de aplicación "inteligentes", esté surgiendo un grupo industrial de metamateriales a escala de 100 mil millones, que puede impulsar trenes de alta velocidad, nuevos viajes terrestres. Equipos, tecnología aeroespacial y de defensa nacional, robots inteligentes terrestres y otros campos. El uso de tecnología de metamateriales para aprovechar las ondas electromagnéticas para construir el mundo futuro se está convirtiendo en otro foco de innovación tecnológica global. Según la teoría general de la relatividad, tanto el tiempo como el espacio se pueden "doblar", y la luz en el espacio también se puede doblar, siempre que el "dispositivo" esté diseñado y fabricado lo suficientemente pequeño. En los últimos años, los científicos han seguido la teoría de Fislag y se han basado en algunas estructuras artificiales con una separación de sólo unas pocas milésimas de 1 mm para ensamblar la estructura unitaria de los materiales (átomos artificiales y moléculas artificiales, mediante diferentes combinaciones de estructuras y disposiciones). diseñó y fabricó diversos metamateriales, haciendo realidad el sueño de doblar ondas de luz, ondas de radar, ondas de radio, ondas sonoras e incluso ondas sísmicas. La aplicación de metamateriales arcoíris formados mediante la captura de diferentes longitudes de onda de luz en guías de ondas especiales es muy diferente de la preparación del material original. En el pasado, existían todos los materiales disponibles en la naturaleza, pero los metamateriales son diseños completamente inversos, y los materiales con funciones correspondientes se crean de acuerdo con los requisitos de aplicación específicos de las ondas electromagnéticas. Características principales Los metamateriales tienen tres características importantes: (1) Los metamateriales suelen ser materiales compuestos con estructuras artificiales novedosas (2) Los metamateriales tienen propiedades físicas extraordinarias (a menudo no se encuentran en materiales naturales; (3) 3) Metamateriales Las propiedades de los materiales a menudo son; no está determinado principalmente por las propiedades intrínsecas de los materiales constituyentes, sino por la estructura artificial. Investigación aplicada Actualmente, el ritmo de transformación de productos basado en estos resultados experimentales también se está acelerando. El desarrollo y utilización de productos como pieles inteligentes de metamateriales, antenas de radar de metamateriales, materiales absorbentes, radares de contramedidas electrónicas, antenas de comunicación de metamateriales, radares UAV y tecnología acústica sigilosa se han convertido en el foco de la competencia entre varios países. Opinión de expertos El concepto de "metamateriales" ha ido penetrando poco a poco en muchos campos. La tecnología primero causó revuelo en el campo del electromagnetismo, luego pasó directamente a varios campos, incluido el de la termodinámica, y más recientemente comenzó a causar revuelo en el campo de la mecánica. (Profesor Martin Wegener del Instituto de Tecnología de Karlsruhe, Alemania) La promoción de las ciencias y tecnologías aeroespaciales, de defensa y civiles mediante metamateriales muestra que los nuevos materiales se convertirán en un punto de entrada y una dirección muy importantes en la investigación científica, aportando grandes beneficios a muchos campos. El impacto y la influencia crearán nuevas industrias, lo cual es de gran importancia.
(Duan Baoyan, Académico de la Academia China de Ingeniería) Es probable que las ideas y métodos de diseño de metamateriales se conviertan en un medio poderoso para explorar nuevas funciones de los materiales, liderar nuevas direcciones en la industria, mejorar el rendimiento integral de los materiales y abrirse paso. el cuello de botella de la escasez de recursos. Se debe aclarar más la necesidad de desarrollar vigorosamente la tecnología de metamateriales a nivel nacional, se debe condensar el enfoque de desarrollo, se debe seleccionar una ruta técnica razonable y se debe formular una estrategia de desarrollo de tecnología de metamateriales que esté en línea con la tendencia de desarrollo de metamateriales. tecnología y adaptada a las condiciones nacionales de mi país. (Zhou Shaoxiong, ingeniero jefe adjunto de China Yangang Technology Group Co., Ltd.)